车站广播智能管控技术

陈佩耀

中国铁路西安局集团有限公司西安站，陕西 西安，714000

0 引言

在高铁车站内，广播系统的主要作用为播报列车的实时运行信息、紧急情况信息、天气信息等，但由于在车站这种公共场合中，会出现诸如列车鸣笛声、制动刹车声、人声等各种嘈杂的声音，这将会对车站广播的效果产生较大的影响。由于在不同的时间段和情况下，车站内的嘈杂声会有很大的区别，为了既能够保证广播的效果，又不影响旅客的休息，车站广播的分贝是需要结合实际情况来做出调整的，但使用人工来进行手动的调整是不切合实际的，这时就需要具备一套车站广播智能管控系统，以达到既能够保证车站广播的实际效果，又避免产生噪声污染的目的。

1 高铁车站广播效果测试

本文以国内某个已经投入使用的高铁车站为例，使用一种系统的车站广播检测方法来对其候车厅内的广播效果进行了测试，具体的测试流程如图1所示。

图1 高铁车站广播效果测试流程

1.1 候车厅的结构特征

该车站主体为混凝土框架结构，共有上下两层，候车室内地面为大理石地砖，支架为水凝柱，四周安装玻璃幕墙，天花板多使用栅栏进行装饰，车站大厅内墙壁较为光滑[1]。翻阅车站建造时的相关数据可知，车站一层候车厅的建筑面积为6324平方米，二层候车厅的建筑面积为7030平方米。

1.2 背景噪声测试

背景噪声主要包含广播音响设备噪声以及放音环境噪声两大部分内容。车站内存在过大的背景噪声不仅会导致人心情烦躁，而且还会影响有用信息的传播，使得广播声音的信噪比以及动态范围变得更小，破坏声音质量。本次测试总计在车站候车厅内选取了5个不同的点位进行背景噪声测试，其中每个点位收集6组测试数据，测试结果如表1所示，由此表我们可以得出，车站候车厅内的背景噪声均值约为71dB，其噪声大小适中。

表1 车站内背景噪声测试数据（dB）

1.3 语音清晰度测试

本次测试所选取的时间段为车次均已停运，候车大厅处于无人的控场状态，分别在一层候车厅和二层候车厅内选取了9个测试点，其测试的数据结果如表2所示，由此表中数据我们可以得知，车站一层候车厅的语言传递指数为0.39，二层候车厅的语言传递指数为0.29。

表2 车站候车厅RASTI

1.4 混响时间测试

混响时间指的是在广播声场到达稳定状态时并同时声源停止发生之后，声压降低至60dB所需要的时间。混响时间过短或者过长都会对广播的效果产生影响，过短则会出现声音不自然的现象；过长则会出现广播声音含混不清[2]。本次测试同样选择候车厅一层和二层作为测试点，其具体的测试结果如表3所示，经过对车站混响数据进行计算可以得知，其整体的混响时间较长。

表3 车站候车厅混响时间测试数据

2 车站广播智能管控系统

基于噪声检测的智能广播管控系统的工作原理为：首先噪声检测电路对候车厅内的噪声环境进行采集，并通过电容式驻极体将造成转换为电压信号传递给单片机，然后单片机会将电压信号转换为对应的数字信号，并同时对噪声进行计算，此时控制系统会根据计算出的噪声值来对电位大小进行调整，以实现对语音播放电压进行控制的目的，其具体的流程如图2所示。

图2 智能管控系统结构框架图

3 系统硬件设计

3.1 单片机

基于本次设计既要实现对广播音量进行智能调节，又要兼具广播效果的实际需要，我们选取了MSP430F149型单片机作为系统中的控制器。该型号的单片机相较于51系列的单片机具有更为丰富的I/O接口，并具有内部集成A/D转换模块，因而更符合该系统的实际设计需求[3]。430单片机的晶振频率为8MHz，指令执行时间为125ns，采用的为22pF的起振电容，具有稳定且良好的运行效果。

3.2 噪声检测电路

噪声检测的电路图如图3所示。

图3 噪声检测电路

其具体的工作原理如下。

电容式驻极体话筒MIC将噪声声波转为电压信号，由C21低频滤波和C22高频滤波后，再经过可调电阻R21选择适当的噪声信号电压输入到运放LM386的IN+。

LM386的1号和8号引脚是电压增益倍数选择端，接入10μF电容，可实现LM386的200倍最高增益。当选择较高增益工作时，7号旁路引脚需要对地接入0.1μF电容，以防止增益下降造成的不稳定工作等情况。

在5号引脚的音频输出端，串接C24和R22到地进行高频滤波，经过C23电容低频滤波和D11去除可能出现的电源负压后到R20电位器，增益200倍的电信号在0～4V范围内，超出单片机的最大采样电压+3.3V，故通过R20调压后送到单片机的P6.0引脚。

在P6.0检测端接入D10指示灯，即可直观地观察噪声的有无及大小。输出端接D12和R23，用来给C23电容放电，放电速度取决于R23的阻值，其目的是较快地反映噪声信号的平均直流电压，以保证噪声检测的实时性。

为了消除电源适配器送出的5V电源中可能夹杂的各种高低频噪声（尤其是低频噪声），在检测模块电源输入端需并联C16大电容，以去除来自电源中的、不必要的噪声干扰。

3.3 语音播放电路

为了仿真车站候车厅的广播，系统中还安装有ISD1760语音芯片，该芯片具有录音的功能，且在语音芯片中还设置有自动增益控制、扬声器驱动等实用功能。在ISD1760芯片的20号引脚串联有震荡电阻，来对芯片频率进行采样；芯片所需的工作电压最高不得大于6V。

3.4 音量控制电路

为了实现智能管控系统对于广播音量的自动控制，本次设计采用了电阻对信号进行分压，电阻阻值的大小由单片机的对应引脚决定。依据所采集到的噪声值大小，通过对控制器端口输出状态的调节来实现对分压电阻的大小进行控制。既候车厅内的噪声值越小，则扬声器所串联的分压电阻阻值就越大，那么广播声音就会越小；而候车厅内的噪声值越大，则扬声器所串联的分压电阻阻值就会越小，那么广播声音就会随之变大。

3.5 按键电路

为了确保车站广播系统的音量能够处于随时可控的范围之内，本次设计还增加了对应的按键电路[4]。在语音播放芯片的23号引脚上连接S3按键，来实现对广播播放或者暂停的控制，在端口自低电平得电之后，语音芯片就会自动播放广播内容。语音芯片的播放端口同时还受单片机的控制，而基于按键有可能随时会使用的特点，还需要在系统之中串联一个阻值为100Ω的电阻。S4为中断检测端口，S5为单次/循环模式切换端口，其分别与单片机的P2.0以及P2.1端口相连。

3.6 显示电路

为了方便对于系统的工作状态进行观测，本次设计还加装了LCD1602液晶显示器，用来对经由噪声检测电路输出后再控制器计算后的电压、系统的停止或者播放等实时工作状态以及音量自动调节等功能的显示。该液晶显示器的1号引脚与电源的接地端进行相连，2号引脚与+5V电压进行连接，3号引脚是模块显示对比度控制引脚，而4～6号引脚则与控制器的P4.5～P4.7端口相连，7～14号引脚为显示电路的双向数据传输端，和控制器的P5端口相连，15、16号引脚为显示电路背光灯电源的正负极接口。

4 系统软件设计

智能广播管控系统采用C语言编程语言来实现相关的控制功能，而为了方便系统的调试，并同时提升软件的可移植特性，本次设计采用了模块化的设计语言和结构，软件系统的设计模块和流程如图4所示。

图4 软件系统的流程图

从图中可以清晰地看出，在该系统得电之后，会自动对系统程序进行寄存器与输入输出端口进行设定，在设定完成之后会进入主程序。系统首先会对按键电路的状态进行检测，并在此基础之上对广播音量的调节方式进行确定，在自动调节模式下，系统会依据对候车厅内噪声的平均数值来切换分压电阻，并同时对进行语音播放的电压实施控制，以最终实现对广播音量的智能化控制；在手动调节模式下，系统则会依据按键工作状态来对语音的输出音量进行控制。而无论是在那种工作模式下，显示电路都会直观、高效的对音量的调节方式以及广播系统的工作状态信息等进行实时显示。

5 仿真实验

在对该系统进行仿真实验时，使用ISD1760语音控制芯片首先录制一段模拟语音，并通过电容式驻极体话筒MIC对候车厅内的噪声进行采集，并将其输入智能系统当中，在经过对噪声的计算和分析之后，系统会利用切换分压电阻阻值的大小来实现对广播音量大小的控制[5]。在仿真实验过程中，如果检测到的噪声值越小则表明系统控制广播音量就越小，如果检测到的噪声值高则表明广播控制的音量就越高，在此过程中还应注意始终保持广播音量要高于候车厅内的噪声。经过多次的实验，最终对噪声的大小、分压电阻阻值、控制器P1.0、P1.1、P1.2输出和输入端口以及广播音量之间的一一对应关系，其控制关系如表3所示。

表3 系统音量控制关系

6 结语

综上所述，对于我国的高速铁路系统来讲，其在向着运行速度更高、车站建设更大的方向发展的同时，也应对车站使用过程中的广播效果进行关注。鉴于在车站候车厅内存在着人声、列车鸣笛声等多种杂声，会对广播的传播效果造成严重的影响，本文在分析车站噪声的基础之上，对智能化的车站广播系统开展了设计，该系统具有结合场内噪声大小来自动调节广播音量的功能，能够实现对广播的智能化控制，虽说该系统目前还存在着很多的不足和缺陷，但经过不断地优化和完善，必将在未来就有广阔的应用前景。